北京地铁物资学院站施工过程降水分析

摘要：本文首先对基坑降水工程的研究现状及降水工程方案的设计理念和特征进行分析，指出了降水方案设计及实施过程中的存在的问题。

在降水基坑涌水量计算过程中，以基坑涌水量计算结果确定了相应的降水方案设计参数。而后通过降水预测绘制各种降深等水位线图等并加以分析、研究、对比得出结论，并以此为基础确定降水方案设计参数。

关键词：地下水控制方法；降水方案设计；基坑涌水量计算；降水工程方案实施与管理； 地下水位观测

Abstract: the design idea and the characteristics of the foundation pit engineering research present situation and the dewatering scheme analysis, pointed out the existing problems of design and implementation scheme of the precipitation process.

Precipitation in the pit during the process of calculation, the pit calculation results to determine the design parameters of the corresponding precipitation. Then through the precipitation forecast to draw various drawdown level contour map, and analysis, research, comparative conclusions, and then determine the design parameters of the precipitation scheme.

Keywords: groundwater control method; precipitation scheme design; calculation of inflow in foundation pit; dewatering engineering project implementation and management of underground water level observation;

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

伴随城市建设的飞速发展，城市地下空间作为一种宝贵的资源被综合开发利用，不同深度的地下空间将用于不同的目的，如深基坑工程、地下管线及地铁开挖工程等。地铁作为大型城市解决其交通拥堵问题的主要手段，在近几十年得到了飞速的发展，国内大型城市都在快速的修建城市地铁。

1工程概况

物资学院站是北京地铁6号线二期工程首站，车站位于朝阳北路与物资学院路交叉路口处。车站西北象限为西富河园4号院的2栋6层住宅楼、1栋2层民房，东北象限为西富河园2号院的2栋6层住宅楼、1栋1层民房、1间平房；西南象限为西富河园5号院的3栋6层住宅楼，东南象限为1栋4层的青年餐厅、西富河园6号院的2栋6层住宅楼。车站结构与既有建筑（西富河园4号院）最近处为5.5m。

车站为暗挖双层双跨结构（PBA工法施工），岛式站台宽11m，车站总长250.6m，结构覆土约7.0m，车站底板埋深约23.52m。车站共设置4个出入口通道（其中4号出入口为预留）及2组4个风亭。2、3号出入口位于车站北侧，1、4号出入口位于车站南侧。1号风亭位于西北象限的2层民房处，2号风亭位于东北象限西富河园2号院6层住宅楼前的人行道处。1、2、3、4（预留）号出入口均为明暗挖结合施工。见图1。

图1 车站地理位置

地铁6号线二期是北京市东西贯通的地铁线路，从地质条件上分析它横穿永定河冲洪积扇中下部位，第四系地层情况变化较大，从粒径较大(卵石、漂石地层)的单一地层逐渐变化为粒径较小(砂、砾、粘性土互存地层)的多层地层。

2工程技术难点

从环境条件上分析，地铁6号线二期11标由东向西都处于北京的主要街道朝阳北路下方，该标段路面交通繁忙，市政管线纵横交错，对施工影响很大，同时降水施工对周边环境的影响也很大。

因此本降水工程的重点和难点有如下几个方面：

（1）本标段结构埋深较大，涉及到的含水层属于承压水（三）层和承压水（四）层，含水层厚度大，地下水丰富，含水层颗粒细。施工重点是采取合理的施工工艺，保证成井质量，合理布设排水管线及配电系统，保证排水量；通过严格的质量管理，确保水位降深达到设计要求。

（2）降水施工沉降控制

由于本降水工程含水层厚度大，颗粒细，为防止周边建筑及路面发生过大沉降，必须采取措施严格监控施工沉降，确保人民群众生命财产安全。

（3）地下管线保护风险控制

施工区域地下管线或设施分布较多，纵横交错、深浅不一，且走向复杂，主要分布有电力、热力、通信、燃气、上下水等多种，市政管线是关系民生的重要构筑物，不容破坏，而降水井只能布设于这些管线的平面缝隙之间，大多邻近管线，必须采取措施保护地下管线安全。

（4）占道施工安全风险控制

本标段降水井部分降水井布设在现状道路，分布于便道、非机动道、机动车道、路口多种交通环境。该地区道路交通非常繁忙，是通州方向进京的主要干道。占路施工具有严重安全风险。

3 管井施工方法及技术要求

（1）定井位：根据降水施工设计、地下管线分布图及甲方提供的坐标控制点施放降水井井位。正常情况下井位偏差不大于50mm，若遇特殊情况(比如地下障碍、地面或空中障碍)需调整井位时，应及时通知技术人员在现场调整。

（2）材料：井管、砾料、滤网等主要材料必须经项目部材料员、技术员严格检验和验收，验收合格后必须由材料员、技术员签字后方可使用。

（3）人工护壁探孔：各井必须进行人工探孔，深度至原状土，确保孔位处无地下设施。护壁要安全牢固，不仅要为孔下操作人员提供安全保障，同时还要保证钻机钻孔过程中不坍塌、掉块，防止钻孔事故。

（4）垒砌泥浆池：泥浆池摆放于钻孔前方，保证钻进过程中水流循环及保存钻孔出渣，并且不破坏现状路面，在路面垒砌单井体积1.5倍的泥浆池，泥浆池底部铺垫塑料布防止渗水。

（5）钻机就位、调整：钻机就位时需调整钻机的平整度和钻塔的垂直度，对位后用机台木垫实，以保证钻机安放平稳。钻机对位偏差应小于20mm，钻孔垂直度偏差1%。

（6）钻 孔：成孔工艺为反循环钻进成孔工艺，见图2。在钻孔过程中应保证孔内泥浆液面高度与孔口平，严防塌孔。在地层条件允许的情况下，尽量使用地层自造泥浆成孔，若钻孔通过易塌孔的流砂层或泥浆漏失严重的地层时，可采用人工造浆护壁钻进，泥浆比重调至1.1～1.3。

（7）换 浆：钻孔至设计深度以下0.5m左右，将钻头提高0.5m，然后用清水继续反循环操作替换泥浆，直到泥浆粘度约为20s为止。

（8）下 管：下管前应检查井管是否已按设计要求包缠尼龙纱网；无砂水泥管接口处用塑料布包严。井管必须确保在井孔居中不歪斜。

（9）填滤料：填料必须从井四周均匀缓慢填入，避免造成孔内架桥现象，洗井后若发现滤料下沉应及时补充滤料，填料高度必须严格按设计要求执行。

图2 反循环钻进工艺原理图

（10）洗 井：填充滤料后24h内必须采用压风机洗井，空压机排气量不能小于7m3/Min，压力不能低于0.5Mp ，若井内沉没比不够时应注入清水。对于重点含水段需采用隔离塞水气方法冲洗，然后再捞砂。若成井过程中粘土使用过多，洗井不及时时，应加入胶磷酸钠药液浸泡不少于6h（或根据产品说明执行），然后再洗井，洗井必须洗到水清砂净为止。

（11）水泵安装：洗井结束后进行水泵安装，要求安装前记录井深，便于控制水泵深度，水泵安装要牢固平稳确保设备安全。

4 降水工程沉降控制

4.1降水沉降产生的原因

施工降水时可从四个方面引起地面沉降，即：

①在成井过程中由于采用了反循环成孔工艺，地表以下浅部回填土被水浸泡和大量抽吸地层颗粒都会引起地面沉降；

②由于城区老地下管线长年渗漏，在管线附近的回填土地层中形成饱和水囊，长期浸泡下的地层非常松软，降水施工中将饱和水释放出来后，松软地层立刻发生变形引起地面沉降；

③由于降水抽取地下水，含水层排水后引起附加应力，使地层产生沉降；

④由于降水抽取地下水时，在水动力作用下将地层细颗粒带出，长此以来，范围不断扩大，地层中孔隙加大到一定程度后将重新按最适合稳定的方式重新组合，这样就产生了地面沉降。

4.2 预防降水沉降采取的工程措施

（1）对上述原因①、②引起的沉降，在施工过程中，回填土以上地层采用人工挖掘成孔后采用混凝土护井壁，待混凝土护壁达到要求强度能起到隔水作用后，在采用钻机钻进成孔，成井后回填土层段采用粘土封孔。采取以上措施可有效避免降水井施工过程中扰动回填土地层，工程实践证明，这种方法已非常成功地控制住了浅层松软地层沉降问题；

（2）对上述原因③引起的沉降只要降排水就不可避免要产生，但对不同的地层、排水量大小、排水时间长短，所产生的沉降量的沉降范围有所不同。抽排地下水时应按要求监测降水影响范围内的重大建筑物的沉降，当通过沉降监测发现建筑物沉降已达到预警标准时，应及时查明引起沉降的具体原因，当确认降水形成的区域水位下降是造成建筑沉降的主因时，应立即采取回灌等相应措施。在沉降区域施工地下水回灌井，回灌井与降水井之间的距离必须>5.0m，回灌方案的具体设计应根据建筑物沉降的情况来定。如果确认降水井质量问题是引起沉降的主因时，应首先通知土建单位采取基坑保护措施，然后采取对问题井进行停泵处理等相应措施，见图3。

（3）对原因④，在降水井结构设计予以解决，根据本站地层情况选择相应的滤料和滤网，滤料粒径为2-4mm，滤网为100目/cm2。但在装填滤料过程中容易产生架空现象使滤料填充不均匀，抽排地下水时在滤料不密实段细颗粒大量流失加剧造成地层沉降，因此本站在降水井成井下管过程中在井管四周等距捆绑导正块（木条5cm×5 cm×30cm，见图4），上下间隔2m，有效的保证了井管垂直对中，滤料在井管四周均匀。经验证，本站范围内抽排水过程中均保证了抽水含砂量控制在充许范围内(粗砂含量

图3 井点回灌示意图

图4 捆绑导正条示意图

4.3 维护期管理

根据结构施工顺序，施工竖井处为最先施工节点，施工工期一般在1个月左右，因此降水工作应在结构施工开始14天前达到抽水要求，以保证有足够先期抽水时间以便产生较好的降水效果。竖井结构完成后仍需保证竖井周边降水井持续抽水使地下水位维持在结构下0.5m以下，避免由于地下水位上升导致竖井出土仓内集水。3号竖井周边降水井于结构开挖前1个月以具备抽水条件，因此在降水井调试完成后进行正式抽水，通过竖井结构中间预留的水位观测孔观测地下水位下降情况，并等时间段详细记录地下水位降深数值，降水井抽水阶段观测出水口排水量及做好详细记录，抽水阶段观测频率应为1次/天，水量衰减稳定后观测频率可为2次/d。

水位降深曲线见图5：

图53号竖井水位降深曲线图

由上图可知，在试验抽水阶段降水井中水位降深速率较大，正常抽水阶段水位降深速率慢慢变缓，直至抽水量稳定后，从开始抽水至水位稳定阶段的时间长短取决于含水层的渗透性和降水井的单位时间排水量，因此为保证在结构开挖时地下水位降至满足结构开挖要求，降水井抽水时间应尽量提前于结构开挖时间，在本站细砂含水层范围内提前抽水时间应不少于1个月为宜。

图63号竖井日均排水量曲线图

由上图可知，细砂含水层水量衰减速度较快，衰减时间段与水位降深情况基本相符合，即水量衰减至基本稳定期时，水位降深亦保持相对稳定。水位相对稳定阶段日均排水量约为3900m3/d左右，部分降水井出现断流或半管排水的情况。

图73号竖井调整排水量后降深曲线图

由于含水层水量衰减，水位降深也相应加大，远远超出要求降深，并且水泵抽水量超出地下水补给量，水泵出现空转间歇性抽水的情况，因此为节约成本根据监测结果，调整单井泵量，使水泵抽水量与地下水补给量基本相符合，提高水泵运转率，使用小功率水泵，从而达到节约电能降低成本的目的。因此将水泵由25m3/h调整为15m3/h，单井水泵功率由5.5kW减至4kW，以10个降水井抽水8个月，电价1元计算可节约电费：10×（5.5-4）×24×30×8×1=8.64万元，类比至全车站范围内，节约工程成本相当可观。因此，加强抽水维护期管理，根据监测结果实施降低泵量，在不影响降水效果的同时即节约成本又减少对地下水量的抽排避免不必要的水资源浪费，效果显著。

5 降水效果分析

截止目前为止，本站各施工竖井结构已完成开挖，车站纵向横导洞贯通，从结构开挖过程中观测可知，结构开挖至水位后结构侧壁局部为止出现残留水渗漏问题，但水量均不大渗漏时间也较短，结构到底后含水层细砂层有明显由于地下水位下降后小范围固结的现象，当关停水泵后水位立刻上升，结构底出现涌水、涌砂的情况，因此本降水方案具有较好的降水效果，保证了结构开挖的无水作业。

图8 水泵关停水位上升后洞内情况图9正常抽水维护时洞内情况

6 结论

对于地铁车站地下水控制方案的选择应综合考虑结构施工工法、场区范围内地质条件、施工现场条件、经济条件等多种因素。基坑涌水量计算过程中，应尽量分析对比不同模型下的计算结果，从中选择较为合理的计算结果进行降水方案设计，从而有助于更好的达到降水效果和节约成本，保证结构施工正常开挖。勘察报告中给出的各项参数均较为保守和理论化，场地及时间条件允许的情况下应在场区范围内进行水位地质试验，使降水计算参数及模型的选择更符合实际情况。从抽观测结果及结构开挖情况分析可知，降水抽水开始时间在条件允许的情况下应尽量提前于结构开挖时间，即超前抽水时间要尽量延长，这即有助更好的达到降水效果减少残留水对结构开挖的影响，也可使前期大量抽排地下水的阶段与结构开挖阶段相错开，有助于有效的控制周边的综合地面沉降。降水抽水维护阶段应加强对地下水位下降情况及抽排水量的监测与记录，做到信息化管理，将反馈的信息进行分析总结，进而对抽排地下水的情况进行动态调整，在保证结构正常开挖的前提下，控制抽排地下水量减少对地下水资源的浪费的同时也可节约工程成本。降水井施工过程中针对不同的地质情况应采取相应的工程施工措施。本站在下井管过程中使用的自制导正条，经验证对井壁回填滤料不均匀、架桥等现象起到了较好控制作用，有效减少了由于回填滤料不均匀、架桥等现象造成抽水过程中细颗粒地层中的颗粒流失，使抽排出的地下水含砂量控制在规范要求范围内，有效的减少了在该地层区域由于抽排地下水对周边地面沉降的影响，因此该方法值得推广及研究改进。

参考文献

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